Вычислительная термодинамика - Computational thermodynamics

Вычислительная термодинамика - это использование компьютеров для моделирования термодинамических задач, специфичных для материаловедения , особенно используемых при построении фазовых диаграмм.

Для выполнения этих операций существует несколько открытых и коммерческих программ. Суть метода - минимизация свободной энергии Гиббса системы; Успех этого метода обусловлена не только правильно измерения термодинамических свойств, таких как те , в списке термодинамических свойств , но и за счет экстраполяции свойств метастабильных аллотропов этих химических элементов .

История

Вычислительное моделирование фазовых диаграмм на основе металлов, восходящее к началу прошлого века, главным образом Йоханнесом ван Лааром, и моделирование регулярных решений , в последние годы эволюционировало в CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams). Это было впервые применено американским металлургом Ларри Кауфманом с 1970-х годов.

Текущее состояние

Вычислительная термодинамика может рассматриваться как часть информатики материалов и является краеугольным камнем концепций, лежащих в основе проекта генома материалов . В то время как кристаллографические базы данных используются в основном в качестве справочного источника, термодинамические базы данных представляют собой один из самых ранних примеров информатики, поскольку эти базы данных были интегрированы в термохимические вычисления для отображения фазовой стабильности в двойных и тройных сплавах . Многие концепции и программное обеспечение, используемые в вычислительной термодинамике, принадлежат SGTE Group, консорциуму, занимающемуся разработкой термодинамических баз данных; База данных открытых элементов находится в свободном доступе на основе статьи Динсдейла. Эта так называемая «унарная» система оказывается общей основой для разработки двоичных и множественных систем и используется как коммерческим, так и открытым программным обеспечением в этой области.

Однако, как указывалось в недавних документах и ​​собраниях CALPHAD, такую ​​базу данных Dinsdale / SGTE, вероятно, со временем придется корректировать, несмотря на полезность сохранения общей базы. В этом случае большинство опубликованных оценок, вероятно, придется пересмотреть, как и при восстановлении дома из-за сильно разрушенного фундамента. Эта концепция также была изображена как «перевернутая пирамида». Простое расширение существующего подхода (ограниченного температурами выше комнатной) - сложная задача. PyCalphad, библиотека Python , была разработана для упрощения простых расчетов вычислительной термодинамики с использованием открытого исходного кода . В сложных системах вычислительные методы, такие как CALPHAD, используются для моделирования термодинамических свойств каждой фазы и моделирования поведения многокомпонентных фаз. Применение CALPHAD для высоких давлений в некоторых важных приложениях, которые не ограничиваются одной стороной материаловедения, например, система Fe-C , подтверждает экспериментальные результаты с использованием вычислительных термодинамических расчетов фазовых соотношений в системе Fe-C при высоких давлениях. Другие ученые даже рассматривали вязкость и другие физические параметры, которые выходят за рамки термодинамики.

Будущие разработки

По-прежнему существует разрыв между методами ab initio и базами данных оперативной вычислительной термодинамики. В прошлом упрощенный подход, представленный ранними работами Ларри Кауфмана, основанный на модели Мидемы , использовался для проверки правильности даже простейших двойных систем. Однако связь двух сообществ с физикой твердого тела и материаловедением остается проблемой, как это было уже много лет. Многообещающие результаты неэмпирических пакетов молекулярного моделирования квантовой механики, таких как VASP , легко интегрируются в термодинамические базы данных с помощью таких подходов, как Zentool. Относительно простой способ сбора данных об интерметаллических соединениях теперь возможен с помощью Open Quantum Materials Database.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Университетские курсы по вычислительной термодинамике